厚板5083铝合金激光-MIG复合焊接工艺与焊缝组织性能研究

发布时间：2020-11-10 06:26

　　 目前,厚板铝合金多采用MIG焊接。厚板MIG焊接通常需要多层多道焊,焊接效率低,焊件变形大。相较而言,激光-MIG复合焊接是一种非常适合于厚板焊接的方法。因为高能量密度的激光束可以实现较大的熔深,提高焊接效率;而稳定的MIG焊接可以实现良好的焊缝成形。为奠定激光-MIG复合焊接基础,本课题首先开展30 mm厚板铝合金的MIG焊接和Tandem MIG焊接。通过对焊接工艺的探索,MIG焊和Tandem MIG焊焊接30 mm厚板铝合金分别需要6道和5道交替施焊,得到的焊缝成形良好,表面光滑整洁。在此基础上,开展30 mm厚板铝合金的激光-MIG复合焊接。首先通过工艺参数的探索获得单道焊接最大熔深。实验结果表明,采用激光引导方式,激光电弧间距2mm和零离焦量时,在兼顾焊缝成形的基础上能得到较大熔深。基于响应曲面法得到的回归模型为选择最大焊接熔深的工艺提供了指导。实验表明,在激光功率10 kW、焊接电流136 A、焊接速度0.6 m/min时,得到单道焊接最大熔深18 mm。意味着30 mm厚板可通过两道焊接完成。在此基础上开展30厚板的双面单道激光-MIG复合焊接。通过对焊接缺陷产生机理和分布位置的分析以及MIG焊接特点的把握,采用MIG焊接盖面的方法消除焊接气孔,同时弥补焊缝咬边和未填充等缺陷,最终得到成型良好的焊接接头。微观组织分析表明,激光-MIG复合焊焊缝中存在柱状晶、等轴晶、羽毛状晶组织;MIG焊道熔合线处为粗大的柱状晶,中心区域出现少量羽毛状晶,其他区域均为等轴晶;激光区域为尺寸细小而均匀的等轴晶。焊缝不同区域的晶粒尺寸差别较大,电弧区域晶粒尺寸为69.8μm,激光区域晶粒尺寸为26.3 μm。这是由于激光束能量密度集中,作用范围小而深,在焊缝尖端有大量处于室温的母材,因此高热导率的铝合金将热量迅速导出,焊缝尖端冷却速率大,晶粒来不及长大。在焊缝纵向上,从焊缝边缘到焊缝中心,显微硬度、屈服强度、抗拉强度和延伸率都逐渐升高。这是由于从表面区域到焊缝中部区域,晶粒尺寸显著减小,从70 μm减小到26 μm。晶粒尺寸的减小导致晶界密度增大,对位错滑移的阻碍增强,材料塑性变形抗力增加,接头的强度和塑性都得到改善。对MIG焊、Tandem MIG焊和激光-MIG复合焊的对比分析表明,激光-MIG复合焊不需要加工坡口,试板不需进行背面清根,因此焊接效率高,约为MIG焊和Tandem MIG焊焊接效率的三倍。此外,激光-MIG复合焊热输入低,焊缝面积远小于前两者。5083铝合金焊接接头会发生软化现象,焊缝面积越小,意味着接头强度可能越高。激光-MIG复合焊的组织细小,接头强度最高,达到311 MPa。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG457.14
【部分图文】：

输液化天然气的专用船舶，因此货物围护系统是其关键的核心技术。ＬＮＧ运输船的货舱??建造材料除了需要具备高强度和高韧性外，由于要运送低温ＬＮＧ，还必须具有可靠的耐??低温深冷性能和低温绝热性能，以及良好的加工工艺性能。图１．１给出了?５０８３－０铝合??金的抗投强度、屈服强度和延伸率随温度的变化关系：在室温下，随温度降低，５０８３－０??铝合金的强度和韧性都相应改善。这些特点使５０８３铝合金成为制造低温储罐广泛使甩??的一种材料。??—■—Ｔｅｎｓｉｌｅ?ｓｔｒｅｎｇｔｈ?▲?Ｙｉｅｌｄ?ｓｔｒｅｎｇｔｈ?—ｏ—?Ｓｔｒｅｔｃｈ??４５０???７０??？?４００?－?ｖ?ｍ??Ｉ?＼?ｙ?＿?６〇??＾?３５０?－?Ｘ??ｆ３。。－?，??ｗ?２５０?－?－?４０?〇??：ｇ?ｏ??Ｐ?＼?０??｜２〇°－?／?＼?－３０＾??Ｓ?１５０?－?＾＾￣、??ｃ?－?２０??＾Ｑ）?１００?－??５〇??ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?ｉ??１?〇??－２００?－１００?０?１００?２００??Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?（Ｃ）??图１．１?５〇８３－０铝合金力学性能与温度的关系（来源于［１］）??液化天然气具有污染小、热值髙、纯度高、安全性高、储存效率高和运输灵活等特??１??

舶?就焊接技术来说，整个船体和储罐大部分通过焊接技术进行拼接，焊缝长度达几百??公里。－１６３°Ｃ低温和高压等一系列极端的服役条件对焊接技术提出了严苛的要求。而旦，??大型ＬＮＧ运输船的建造常常用到厚度极大的板材＾图１．２示出了?Ｍｏｓｓ型ＬＮＧ船及其??储罐所用板材的尺寸，可以看到，对于储罐和船体的不同部位，板材厚度从几十毫米到??几百毫米变化。困此ＬＮＧ运输船制造不可避免地要涉及厚板和超厚板的焊接。??（ａ）??４?＇－為．??‘?ｉｗ?？?－?－＞；?＾ｒ?￡ｒｆ，?ａｌＢＭＢ??Ｍ??：．金．??（ｂ）?（〇）???ａＰａｒｔ?Ａｌｌｏｙ?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｓｉｚｅ?（ｍｍ）??Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ?ｓ?ｈ?：，??ｓｈｅｌｌ?ｓｈｅｌｌ?５０８３－０?６０ｘ４０３０ｘ１６３５０??Ｅｑｕａｔｏｒ???Ｓｋｊ｜１?Ｅｑｕａｔｏ「?５０８３－０?１９０ｘ１５３０ｘ１６３５０??Ｓｈｉｐ?Ｓｋｉｒｔ?漂?３．Ｈ?７０ｘ２１００ｘ１６３５０??图１．２?（ａ）?Ｍｏｓｓ型ＬＮＧ船；（ｂ）?ＬＮＧ储罐横截面；（ｃ）?ＬＮＧ储罐材料尺寸（来源于［１］）??２??

且焊缝两侧均间时填充，同时凝固，因此不需要陶瓷衬垫等的根部保护，也不??需要进行焊后清根操作，工序复杂程度大大减小，不仅节约了焊材，也大幅提高了焊接??效率。试板最终经１４道焊接完成，焊缝横截面如图１．３（ｃ）所示。力学性能测试得到焊接??接头的抗拉强度为２３０ＭＰａ（为母材的７４．２％），屈服强度为２１４ＭＰａ（为母材的８２．３％）。??⑻?（ｂ）?（ｃ）?（ｄ）??■ＩＳ?Ｉ??ＭＩＧ?ＭＩＧ?ＭＩＧ?Ｔａｎｄｅｍ?ＭＩＧ??５８?ｍｍ，?１４?ｐａｓｓ?７０?ｍｍ，?１２?ｐａｓｓ?３０?ｍｍ，?１４?ｐａｓｓ?７０?ｍｍ，?８?ｐａｓｓ??图１．３厚板招合金ＭＩＧ焊接接头横截面（来源于［８，?９］）??为了进一步提高焊接效率，可以采用Ｔａｎｄｅｍ?ＭＩＧ焊接方法。Ｔａｎｄｅｍ?ＭＩＧ焊接是??将两根焊丝按一定的角度放在一个特别设计的焊枪里，共用一个气体保护喷嘴，但使用??独立且绝缘的导电嘴。两根焊丝分别由各自的电源供电，所有参数都可以彼此独立地进??行调节
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本文编号：2877595